Magnetooptische Untersuchungen an ferromagnetischen III-V-Halbleitern

Titelangaben

Winter, Andreas:
Magnetooptische Untersuchungen an ferromagnetischen III-V-Halbleitern.
Bayreuth , 2009
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Ferromagnetische III-V-Halbleiter wurden mittels des magnetooptischen Kerr-Effekts (MOKE) und des magnetischen Zirkulardichroismus (MCD) untersucht. Die gemessenen Signalhöhen sind proportional zur Magnetisierung. Damit war es möglich, Hystereseschleifen aufzuzeichnen. Obwohl zu erwarten wäre, dass magnetische Eigenschaften von Magnetisierung und äußerem Magnetfeld beeinflusst werden, hat sich gezeigt, dass keine Beiträge des äußeren Feldes beobachtet werden können. Bei Messungen von MOKE und MCD in Abhängigkeit von der verwendeten Lichtwellenlänge konnten an reinen III-V-Halbleitern viele diskrete Resonanzen beobachtet werden, deren Positionen und Amplituden sich mit dem äußeren Magnetfeld verändern. Dies ist auf Interbandübergänge zwischen Landau-Niveaus zurückzuführen. Im Gegensatz dazu zeigen III-V-Halbleiter mit geringem Mn-Anteil einzelne ausgeprägte Resonanzen, deren spektrale Positionen und Breiten nicht vom äußeren Feld abhängen. Die verschiedenen beobachteten Formen der Hystereseschleifen bei verschiedenen Messgeometrien konnten auf Grundlage des Stoner-Wohlfahrt-Modells erklärt werden. Bei quantitativer Auswertung liefert dieses Modell charakteristische Konstanten, die die magnetische Anisotropie der Proben beschreiben. Bei bestimmten Proben zeigte sich eine Veränderung der Lage der leichten Richtung mit der Temperatur. Analog zu reinen III-V-Halbleitern treten auch in III-Mn-V-Halbleitern Zandau-Niveaus auf, allerdings werden die Spin-Niveaus nicht nur durch den Zeeman-Effekt im Magnetfeld aufgespalten, sondern zusätzlich durch die Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronen der lokalisierten Mn-Ionen mit den Elektronen in Valenz- und Leitungsband des Halbleiters. Letztgenannter Effekt ist dabei deutlich dominierend, wodurch die Amplitude magnetooptischer Effekte in ferromagnetischen Materialien stark zunimmt und nur noch von der Magnetisierung - bestimmt durch die Spin-Ausrichtung der Mn-Ionen - abhängt. Die spektrale Abhängigkeit von MOKE und MCD lässt sich analog zu reinen Halbleitern im Magnetfeld durch Übergänge zwischen verschiedenen Landau-Niveaus beschreiben. Der entscheidende Unterschied ist, neben der stark vergrößerten Spinaufspaltung der Bänder, die Lage der Fermi-Energie relative zur Oberkante des Valenzbandes. Durch die stark erhöhte Ladungsträgerdichte durch den Einbau von Ionen der II. Nebengruppe an Stelle eines Elements der III. Hauptgruppe liegt die Fermi-Energie in III-Mn-V-Halbleitern tief im Valenzband, wodurch Übergänge zwischen, in intrinsischen Systemen voll besetzten, schweren und leichten Löcher-Zuständen möglich werden, die höhere Übergangsraten aufweisen als die Interbandübergänge. Die Lage der Fermi-Energie bestimmt die spektrale Resonanzposition bei den magnetooptischen Messungen. Aus den Amplituden lässt sich das Austauschintegral des Valenzbandes bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Beschreibung der magnetooptischen Effekte mittels der kp-Theorie für verschiedene III-Mn-V-Halbleiter - ob mit kleiner oder großer Bandlücke - gute Ergebnisse liefert.

Abstract in weiterer Sprache

Magnetooptical Kerr effect (MOKE) and Magnetic Circular Dichroism (MCD) have been used to investigate magnetic as well as bandstructure properties of diluted magnetic III-V-semiconductors containing Mn. In these ferromagnetic systems it has been found that the strength of the observed effects depends linearly on the magnetization of the samples with no influence of the external magnetic field. The magnetooptical effects allowed the recording of hysteresis loops of GaMnAs, GaMnSb, InMnAs and InMnSb samples for different temperatures and in the case of GaMnAs also for different alignments of the external magnetic field with respect to the easy axis of magnetization. The Stoner-Wohlfahrt-Model has been used to describe the resulting shapes of the loops yielding the magnetic anisotropy parameters of the samples. For magnetically saturated samples, spectra of MOKE and MCD have been recorded. Contrary to pure III-V-semiconductors, which exhibit lots of sharp resonances due to interband transitions between Landau levels, III-Mn-V-semi-conductors how only very few (or just one) considerably broad resonance(s). Their spectral position(s) do(es) neither depend upon the magnetic field as it would be the case for pure III-V-semiconductors nor the magnetization. Only the amplitude increases linearly with the magnetization. Utilizing a kp-theory it has been possible to describe the observed dependencies. Valence- and conduction-band are split into Landau levels by the external magnetic field and, in addition to the Zeeman-effect, the spin-levels are split by the exchange interaction between the localized electrons of the Mn ions and the free carriers which is proportional to the magnetization of the samples. This splitting is much bigger than the Landau level splitting. Due to an inhomogeneous distribution of the Mn ions and due to the high carrier density the Landau levels are strongly broadened and their structure is not observable. Owing to the high carrier-concentration in III-Mn-V-semiconductors the Fermi-level is located far below the edge of the valence band and therefore optical transitions between different valence band levels are possible (which is not the case for pure III-V-systems). These transitions exhibit large transition rates and dominate the observed effects. Because all Landau levels in the valence band are shifted in the same direction by the external magnetic field the energy-differences for the transitions mostly do not change with the external field. The large exchange induced splitting between quasi continua of Landau states with different spin orientation which is proportional to the magnetization separates the transition energies for left and right hand circularly polarized light and thereby generates the observed magnetooptical effects. By fitting the aforementioned kp-theory to the experimental data it has been possible to determine the absolute value of the exchange integral between localized electrons in the Mn-ions and the free holes.